JPH04137561A - 圧接型半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、主電極を加圧接触により外部に取り出す圧接
型半導体装置に関する。

（従来の技術） 従来より、ＧＴＯ等の電力用半導体素子の電極引出し構
造として、圧接電極構造が広く採用されている。

第１５図はその一例のメサ型ＧＴＯである。

ＧＴ○素子８０のカソード・エミッタはメサ構造をなし
て複数個に分割され、これにカソード電極８１か形成さ
れている。ゲート電極８２はそれそれ凸型に形成された
各カソード領域を取り囲むようにｐ型ベース層に接触し
て配設されている。アノード電極８３は全面平坦に形成
されている。この様なＧＴＯ素子８０を両側から圧接用
の外部電極８４．８５により挟んでカソード電極８１お
よびアノード電極８３の取出しか行われる。

この様にエミッタ・メサ構造の素子では、各カソード電
極に対して圧接型の外部電極を完全に接触させることが
容品である。ところが、プレーナ・エミッタ構造の素子
においては、圧接電極構造とした場合に幾つかの問題か
生じる。

第１６図はブレーナ型のＭＯ５型ＧＴＯに圧接型電極を
適用した場合を示している。

ＭＯ３ＧＴＯ素子９０は図示のようにプレーナ構造であ
って、ケート電極９２が配設されたウェハ上に絶縁膜を
介してケート電極９２を跨いでカソード電極９１か全面
に配設される。したがってカソード電極９１は、表面に
凹凸か形成されるから、これに外部電極９４を圧接させ
た時に、外部電極９４はカソード電極９１のうちゲート
電極９２上の凸型の領域に接触する状態になる。アノー
ド電極９３は平坦であるから、図では示していないか外
部電極を全面接触させることかできる。この様に、カソ
ード側の外部電極９４かカソード電極９１に対して部分
的に接触する状態、しかもその接触する部分が主電流か
流れるカソード・エミッタ領域から離れたケート電極９
２上であると、サシ電流やターンオフ時の電流のように
高密度電流か流れたとき、圧接電極９４か接触していな
い領域てカソード電極９１が局所的に過熱状態になる。

これは素子特性劣化の原因となる。また通電の断続によ
る温度の上昇、下降を繰り返したとき、カソード側の外
部電極９４の膨張、収縮によってカソード電極９１かこ
すられる。この結果、第１７図に示したように、カソー
ド電極９１は時間の経過と共に横方向にせり出して、カ
ソード電極９１か薄くなり、また外部電極との接触部と
非接触部の境界部に亀裂か入ったりする。これにより主
電流を流すカソード電極９１の電気抵抗は時間と共に第
１８図に示すように増大し、通電時の電力損失の増大、
これに伴う接合温度上昇等をもたらし、素子特性か劣化
する。

同様の問題はＭＯＳＧＴＯの限らず、同様にプレーナ構
造を有し、表面に凹凸が形成される状態で主電極が形成
される他の電力用の素子、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥ
Ｔ等にもある。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように、主電流経路である主電極か表面に凹凸が
ある状態で形成される半導体素子に圧接型電極を適用し
た場合に、圧接型電極が主電極に部分的にしか接触しな
いために、局所的過熱状態が生じ、また経時的に主電極
抵抗が高くなって素子特性が劣化する、という問題があ
った。

本発明は、この様な問題を解決して信頼性向上を図った
圧接型半導体装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明に係る圧接型半導体装置は、少くとも一方の面に
表面が凹凸を成して配設された主電極を有する半導体素
子に対して、その主電極の凹凸面にほぼ全面接触して圧
接用の外部電極を設けたことを特徴とする。

圧接用の外部電極を主電極表面の凹凸面に全面接触させ
る一つの方法は、圧接用の外部電極の圧接面を主電極の
凹凸面に対応した凹凸面を持つように予め加工すること
である。別の方法としては、圧接用の外部電極は平板状
のままとし、これと主電極の間に軟らかい金属を介在さ
せて、加圧によりその軟らかい金属を変形させることに
より、はぼ全面接触した状態を得ることである。

（作用） 本発明によれば、凹凸を有する主電極に対してその凹凸
面に対応させて圧接型電極を全面接触させることによっ
て、主電極での局所過熱が防止される。また通電の繰り
返しによる圧接電極の膨脂、収縮の繰り返しに起因した
主電極の抵抗増大もなくなり、素子の信頼性が向上する
。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。

第１図（ａ）　（ｂ）は一実施例のＭ　ＯＳケートを持
つＧＴＯの圧接型電極組み立て前後の構造を示す。ＧＴ
Ｏ素子１は、カソード電極２が表面に凹凸が形成された
状態で全面形成されている。アノード電極３は平坦であ
る。

ＧＴＯ素子１の具体的な構造は、第２図および第３図（
ａ）　（ｂ）に示す。高抵抗のｎ型ベース層］１の表面
にｐ型ベース層］４かストライプ状に形成され、このｐ
型ベース層１４の表面にｎ型エミッタ層〕５か分割配置
されて形成されているｎ型ベース層コ１の裏面にはｎ型
バッファ層１２を介してｐ型エミッタ層１３か形成され
ている。

ｐ型ベース層１４のｎ型エミツタ層１５とｎ型ベース層
１１に挾まれた領域にＭＯ３構造の第１ゲート電極１６
が配設され、またｐ型ベース層１４に直接接触して第２
ケート電極１７が配設されている。第３図（ａ）は、カ
ソード電極を形成する前のｎ型エミツタ層１５と、二つ
のケート電極１６．１７のパターンを示しており、二つ
のケート電極１．６，１．７は互いに一部重なる状態て
配設されている。この様にゲート電極１６．１７か形成
されたウェハ面上はＣＶＤ絶縁膜て覆われ、これにコン
タクト孔か開けられて全面にカソード電極２か配設され
ている。二つのケート電極１６１７か複雑に重なって配
設されているため、カソード電極２は、第２図に示すよ
うにそのケート電極１６．１７の厚みを反映して複雑な
凹凸面を形成している。アノード電極３はこの実施例の
場合、平坦である。

この様な凹凸面を有するカソード電極２か形成されたＧ
ＴＯ素子１に対して、第１図（ａ）に示すように圧接面
かカソード電極２の凹凸面を反転した凹凸面に加工され
た圧接用の外部電極４を用意する。外部電極４は通常Ｃ
ｕにより形成される。

この様な外部極４をＧＴ○素子１に加圧接触させて組み
立てた状態か第１図（ｂ）である。アノード側の外部電
極は省略しているか、アノード電極３か平坦の場合アノ
ード側外部電極はロウ付　半田づけ等によって固着され
てもよいし、可滑動であってもよい。以下の実施例にお
いても同様である。

この実施例によれば、外部電極４は、ＧＴＯ素子１のカ
ソード電極２に全面接触する。したかって従来のような
局所的過熱か生しることはない。

また通電の繰り返しによってもカソード電極２に無用の
応力がかかることはなく、高い信頼性か得られる。

第４図は上記実施例の構造において、外部電極４とカソ
ード電極２の間に僅かの間隙５ができる状態を示してい
る。すなわち外部電極４は、カソード電極２に対して完
全には密着しない。この場合でも、図に示したように外
部電極４かカソード電極２の凸部と凹部でそれぞれ接触
するように段差か正確に設定されていれば、十分に効果
か期待できる。

第５図（ａ）　（ｂ）は、他の実施例のＧＴＯの組み立
て前後の構造である。ＧＴＯ素子素子光の実施例と同様
のものとする。これに対してカソード側の外部電極４．
アノード側の外部電極６共に厚い平板状のものを用意す
る。但し、カソード側の外部電極４と素子１の間には柔
らかい金属からなる薄い中間電極７を挟み、これらを加
圧して第５図（ｂ）のように組み立てる。中間電極７の
変形によって結果的にカソード側の圧接型電極は全面カ
ソード電極２に接触した状態が得られる。中間電極７の
材料としては、銅、銀等が適している。また中間電極７
の厚さは、加圧によってカソード電極２の凹凸の段差を
完全に埋めるように変形するに十分なものであればよく
、例えば段差の３倍以上とする。中間電極７の材料によ
っては、加圧と同時に加熱して変形を容易にすることが
好ましい。

さらに、中間電極７の変形によってカソード電極２に対
して良好な全面接触状態を得るためには、カソード電極
２の凸型かテーバ状になっていることか望ましい。

この実施例によっても、先の実施例と同様の効果か得ら
れる。特にこの実施例の場合、軟金属からなる中間電極
７とカソード電極２との全面接触状態が確実に得られる
ため、局所的ｌｉＡ度上昇に対する保護効果か大きい。

また通電の断続による外部電極の膨張、収縮の影響も、
中間電極７にょって吸収されてカソード電極２には無用
の応力かかからなくなり、高い信頼性か実現できる。

第６図は、ＧＴＯ素子１か、カソード電極２アノード電
極３共に凹凸面をもって形成された場合の実施例である
。この場合、図示のように、カソード側外部電極４とカ
ソード電極２の間に中間電極７を介在させると同時に、
アノード側外部電極６とアノード電極３の間にも中間電
極８を介在させる。

この実施例によれば、アノード電極３ての局所加熱や抵
抗増大という問題も同時に解決される。

また特に素子両面に凹凸かある場合には加圧の影響か一
般に大きいか、この実施例では素子にかかる局部的な応
力集中かなくなり、機械的強度か向上する。

第７図（ａ）　（、ｂ）は、他の実施例の組み立て前後
の構造である。この実施例ては、ＧＴＯ素子１のカソー
ド電極２の凹部に予めスペーサ電極２０゜２１を置き、
この上に中間電極７を載せる。そしてこれを第７図（ｂ
）に示すように圧接用の外部電極４，６により挾み込ん
で加圧することにより、組み立てる。第８図はアノード
側にも凹凸かある場合に、アノード側にも同様にスペー
サ電極２２２３を介在させた実施例である。

これらの実施例の場合、軟金属からなる中間電極７，８
の変形か少なくても、事実上はぼ全面接触の状態が得ら
れ、したがって上記各実施例と同様の効果か得られる。

以上の実施例において、外部電極と素子の主電極との間
に軟らかい金属からなる中間ｔａを介在させる例を説明
したか、外部電極か中間電極と同様の軟らかい金属の場
合、中間電極たけてなく外部電極まで変形を受ける。こ
れを防くには、中間電極を硬い金属と軟らかい金属の二
層構造とすることかより好ましい。

第９図はその様な実施例の構造を、第５図（ｂ）に対応
させて示したものである。第５図（ｂ）と比較して明ら
かなようにこの実施例では、軟らかい第１の中間電極７
と外部電極４の間に更に硬い平板状の第２の中間電極９
を介在させている。硬い第２の中間電極つとしては、Ｗ
、Ｍｏ等が用いられる。

この様な二層の中間電極構造とすることにより、外部電
極４の変形を伴うことなく、第１の中間電極７の主電極
２側の変形のみによって主電極２に良好に密着させるこ
とかできる。

同様の二層中間電極構造は、第６図〜第８図の実施例に
対しても適用することができ、それにより同様の効果が
得られる。

軟金属を用いる実施例の手法は、一つの素子の凹凸面に
対する圧接たけてなく、例えばパッケージに複数の素子
を圧接して封入する構造に適用しても有用である。その
様な実施例を次に説明する。

第１０図はその実施例であり、厚みの異なる３個の半導
体素子３１１，３１２．３１３を圧接用の外部電極３２
．３３の間に挾む場合に、軟金属３４を介在させたもの
である。この様に厚さの異なる複数の素子を圧接して一
体化する場合に軟金属を用いることによって、片当りに
よる素子の破壊等を防止してしかも、複数の素子に対す
る圧接型電極の接触を確実にすることができる。

複数の半導体素子を一つのパッケージに圧接して封入す
る場合、半導体素子間の位置決めをする必要がある。そ
の様な位置決めを行って複数の素子を圧接封入する実施
例を次に説明する。

第１１図（ａ）〜（ｄ）はその実施例の組み立て工程で
ある。複数個の半導体素子４１（４１１４１２、・・・
）を第１１図＜ａ）のように位置決め冶具４２の定めら
れた位置に配置し、これらの素子４１を真空チャック４
３により同時に吸引して、第１１図（ｂ）に示すような
樹脂成形用型４４に入れて、樹脂注入口４５から樹脂を
注入する。これにより、第１１図（Ｃ）に示すように、
複数の半導体素子４１は所定位置関係を保った状態で樹
脂４６により連結される。この状態で各半導体素子４１
の制御端子にはボンディングワイヤを接続する。こうし
て連結された半導体素子４１を第１１図（ｄ）に示すよ
うに圧接用外部電極４７．４８間に封入する。このとき
、素子４１の少なくとも一方の面に軟金属からなる中間
電極４９を介在させる。５０は圧接電極と一体化されて
パッケージを構成する放熱フィンである。

ところでボンディングによって制御端子を取り出す構造
の半導体素子を圧接する場合、圧接用電極の一部に切り
欠き部を設けて制御端子を引き出す構造か採られる。例
えば第１１図の実施例の場合の制御端子引き出し部の構
造を示すと、第１２図のようになる。外部電極４７の切
り欠き部を通して制御リード５１．５２か引き出される
。そしてこの場合、切り欠き部で主電極が圧接されない
事態を防ぐためには、第１２図に示したようにこの部分
で軟金属からなる第１の中間電極４９と硬金属からなる
第２の中間電極５３を重ねて用いる。

硬金属電極５３の材料には、モリブデン、タングステン
等が好ましい。

一つのパッケージに圧接して封入される複数の半導体素
子のレイアウト例を第１３図（ａ）　（ｂ）に示す。第
１３図（ａ）の場合、半導体素子の二つの制御端子はそ
れぞれボンディングワイヤにより旦ポンディングパッド
に取り出され、このボンデインクパッドに接続された二
本の制御リードにより、外部に引き出される。第１３図
（ｂ）は、一方の制御端子に比較的大きい電流か流れ、
ホンディングのみでは引き出せない場合に、中央に制御
端子圧接バッド５４を設けて、一方の制御端子二二にボ
ンディングワイヤで引き出して、圧接により取り出すよ
うにした例を示している。

［発明の効果コ 以上述べたように本発明によれば、表面に凹凸が形成さ
れる主電極を有する半導体素子を圧接電極構造を適用し
た場合に圧接型電極を主電極の凹凸面に全面接触する状
態とすることによって、局所的過熱による素子特性劣化
や経時的な電極抵抗増大か抑制され、信頼性の高い圧接
型半導体装置か得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）は本発明の一実施例の圧接型ＭＯ
５ＧＴＯの組み立て前後の構造を示す図、第２図はその
ＭＯ５ＧＴＯ素子の内部構造を示す斜視図、 第３図（ａ）　（ｂ）は同じくゲート電極レイアウトと
そのＡ−Ａ′位置での断面図、 第４図は変形した実施例の圧接型ＭＯ５ＧＴＯを示す図
、 第５図（ａ）　（ｂ）は他の実施例の圧接型ＭＯ５ＧＴ
Ｏの組み立て前後の構造を示す図、第６図はさらに他の
実施例の圧接型 ＭＯ５ＧＴＯを示す図、 第７図（ａ）　（ｂ）はさらに他の実施例のＭＯ５ＧＴ
Ｏの組み立て前後の構造を示す図、第８図はさらに他の
実施例のＭＯ８ＧＴＯを示す図、 第９図は他の実施例の圧接型ＭＯ３ＧＴＯを示す図、 第１０図は本発明を複数の半導体素子の圧接電極構造に
適用した実施例を示す図、 第１１図（ａ）〜（ｄ）はその組み立て工程を説明する
ための図、 第１２図は同しく制御リード引き出し部の構造を示す図
、 第１３図および第１４図は複数の半導体素子のレイアウ
ト例を示す図、 第１５図は従来のエミッタ・メサ型半導体素子の圧接電
極構造を示す図、 第１６図は同じくエミッタ・ブレーナ型半導体素子の圧
接電極構造を示す図、 第１７図は第１５図の構造での主電極せり出しの様子を
示す図、 第１８図は同しく主電極の抵抗の経時変化を示す図であ
る。 １・・ＭＯＳＧＴＯ素子、２・・・カソード電極、３・
・・アノード電極、４・・・カソード側外部電極、６・
・・アノード側外部電極、７，８・・・中間電極（軟金
属）、９・・・中間電極（硬金属）、２０〜２３・・・
スペーサ電極、３１・・・半導体素子、３２．３３・・
・外部電極、３４・・・中間電極（軟金属）、４１・・
・半導体素子、４２・・・位置決め用治具、４３・・・
真空チャック、４４・・・樹脂成形用治具、４６・・・
樹脂、４７．４８・・・外部電極、４９・・・軟金属中
間電極、５０・・放熱フィン、５１．５２・・・制御リ
ード、３・・ 硬金属中間電極。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）少くとも一方の面に表面が凹凸を成して配設され
   た主電極を有する半導体素子と、この半導体素子の前記
   主電極の凹凸面にほぼ全面接触して設けられた圧接型電
   極と、 を有することを特徴とする圧接型半導体装置。
2. （２）前記圧接型電極は、圧接面が前記主電極の凹凸面
   にほぼ全面接触する形状に加工された金属により構成さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体
   装置。
3. （３）前記圧接型電極は、圧接用の外部電極と、この外
   部電極と前記半導体素子の主電極との間に介在して加圧
   により変形してその圧接面が前記主電極の凹凸面にほぼ
   全面接触する軟らかい金属により構成された中間電極と
   からなることを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体
   装置。
4. （４）前記圧接型電極は、圧接用の外部電極と、この外
   部電極と前記半導体素子の主電極との間に介在して加圧
   により変形してその圧接面が前記主電極の凹凸面にほぼ
   全面接触する軟らかい金属により構成された第１の中間
   電極と、この第１の中間電極と前記外部電極との間に介
   在させた硬い金属からなる平板状の第２の中間電極とか
   らなることを特徴とする請求項１記載の圧接型半導体装
   置。